Di cosa è fatto l’Universo? Questa è una delle domande a cui la fisica moderna cerca da decenni di dare una risposta. Le teorie più recenti ci suggeriscono che la materia normale, quella di cui sono fatti i pianeti, le stelle, o anche noi esseri umani, costituisce solamente il 5% dell’intero universo. Tutto il resto, un bel 95%, non lo conosciamo: è oscuro, letteralmente e metaforicamente.
La materia oscura e l’energia oscura fanno parte di un grande e misterioso puzzle che sembra ben lontano dall’essere completato.
Tuttavia, il 1° luglio 2023 abbiamo fatto un passo in avanti verso la comprensione del cosmo intorno a noi. Infatti da Cape Canaveral, su un razzo Falcon 9 della SpaceX, è partita la missione spaziale Euclid dell’European Space Agency (ESA).
La missione Euclid
Lo scopo principale di questa nuova missione dell’ESA è quello di esplorare l’espansione dell’universo degli ultimi 10 miliardi di anni, studiando la sua evoluzione come mai fatto prima d’ora.
Euclid osserverà miliardi di galassie per creare la mappa tridimensionale più accurata che ci sia.
Saremo quindi in grado di avere informazioni dettagliate sulla forma, posizione e velocità delle galassie, e ciò permetterà agli scienziati di comprendere come la materia è distribuita nell’immensità del cosmo.
Inoltre, Euclid avrà la possibilità di studiare in che modo sia avvenuta l’espansione dell’universo nel corso della sua evoluzione cosmica, riuscendo così a scoprire qualcosa in più riguardo alle proprietà dell’energia oscura e della materia oscura. In questo modo, i fisici che si occupano di sviluppare e studiare teorie nel campo della cosmologia potranno comprendere più a fondo il ruolo della gravità e finalmente decifrare la natura di entità cosmiche così enigmatiche come la materia oscura e l’energia oscura.
La missione Euclid. Crediti: European Space Agency (ESA).
Il contributo italiano è stato fondamentale nella costruzione e nella progettazione della missione: infatti, l’azienda Thales Alenia Space ha partecipato come prime contractor, supportata dall’adesione di Leonardo.
Inizialmente, la missione sarebbe dovuta partire con un Soyuz, il vettore russo che avrebbe dovuto portare il telescopio in orbita intorno al punto lagrangiano L2, a 1.5 milioni di kilometri dalla Terra. Tuttavia, in seguito alla guerra in Ucraina e alle sanzioni dell’Europa contro la Russia, si è reso impossibile per l’ESA restare fedele ai piani originali per il lancio, e dunque è stato necessario cercare un’alternativa. Dopo aver preso in considerazione sia il vettore europeo Ariane 6, sia quello giapponese H3, alla fine la scelta è ricaduta sul Falcon 9 della SpaceX.
Il trasporto verso Cape Canaveral non è stato semplice: invece che viaggiare tramite aria come era stato programmato, sempre a causa del conflitto il satellite è stato costretto a intraprendere un viaggio via mare, con l’utilizzo di uno speciale contenitore a tenuta stagna per evitare che l’aria salina danneggiasse la strumentazione.
La missione è equipaggiata con un telescopio da 1.2 metri per guardare nel visibile e nell’infrarosso e due strumenti innovativi: il Visible Instrument (VIS) e il Near Infrared Spectrometer and Photometer (NISP). Entrambi permetteranno al telescopio di osservare un numero molto ampio di galassie e strutture cosmiche, il che aumenterà notevolmente il campione statistico a disposizione degli scienziati per le loro analisi.
Il VIS si occupa di osservare con altissima qualità le galassie intorno a noi, in modo da poter decifrare al meglio la loro forma e poter individuare gli effetti del cosiddetto lensing gravitazionale su oggetti molto lontani. Inoltre, questo strumento ha il compito di misurare la distribuzione di materia oscura negli ultimi 10 miliardi di anni.
Il NISP, invece, è progettato per misurare la velocità con cui le galassie si stanno allontanando da noi. Infatti, ciò potrebbe fornirci risposte su quale sia la vera natura dell’energia oscura. In questo modo, infatti, saremo in grado di comprendere meglio come le galassie si sono formate e come si sono evolute nel corso della loro storia cosmica.
Euclid sfrutterà dunque fenomeni come il lensing gravitazionale per studiare la natura della materia oscura, mentre osserverà la velocità delle galassie per scoprire i segreti dell’espansione dell’universo e dell’energia oscura.
Ma cerchiamo di capire meglio la fisica che si nasconde dietro questi fenomeni.
Il lensing gravitazionale
Il fenomeno del lensing gravitazionale si verifica quando la luce proveniente da una fonte distante viene deviata dalla presenza di una massa molto grande, come ad esempio una galassia o un ammasso di galassie. Questa deviazione avviene a causa dell’effetto della gravità sulla traiettoria della luce.
Per provare a visualizzarlo meglio, immaginiamo di prendere una superficie piana e mettere al centro un oggetto pesante, come ad esempio una sfera di metallo. Il peso della sfera deforma la superficie, e se facciamo rotolare una biglia sulla superficie, questa verrà deviata dalla sua traiettoria originale a causa del peso della sfera di metallo. La gravità dell’oggetto pesante piega la superficie su cui la biglia rotola, facendola deviare.
Questo è ciò che succede nell’effetto di lensing gravitazionale: quando la luce attraversa una regione dello spazio in cui è presente una grande quantità di massa, la sua traiettoria viene deviata dalla gravità di quella massa. La luce viene “piegata” lungo il percorso, proprio come la biglia nell’esempio precedente.
Il fenomeno di lensing gravitazionale può causare degli effetti interessanti. Ad esempio, se la sorgente luminosa da cui arriva la luce, la massa che causa la deviazione e l’osservatore finale si trovano allineati secondo una specifica combinazione, è possibile osservare la luce della sorgente più intensa o distorta rispetto a quanto sarebbe in realtà senza la deviazione causata dalla presenza della massa. In pratica, ciò significa che, grazie al lensing gravitazionale, siamo in grado di osservare immagini distorte e multiple di oggetti che altrimenti sarebbero nascosti.
Come Euclid misurerà il microlensing. Crediti: European Space Agency (ESA).
Ed è proprio questo uno degli obiettivi della missione Euclid: studiare il cosiddetto microlensing o lensing debole, ossia l’effetto di lensing gravitazionale causato da masse più piccole di quelle delle galassie o, addirittura, causato dalla materia oscura, che non siamo in grado di vedere se non proprio attraverso gli effetti gravitazionali che questa produce sulla materia intorno ad essa.
In questo modo, il lensing gravitazionale ci aiuta a comprendere meglio la distribuzione della massa nell’universo e a studiare oggetti lontani che altrimenti sarebbero invisibili.
Il redshift delle galassie
L’universo intorno a noi si sta espandendo. Le galassie si allontanano sempre di più, ad una velocità sempre più grande a mano a mano che la loro distanza da noi aumenta. Nonostante questo sia stato osservato oramai da molto tempo, è ancora un mistero il perché ciò accada.
Se si vuole fare affidamento alla logica, ciò che dovrebbe succedere sarebbe il contrario: le galassie dovrebbero avvicinarsi tra loro a causa della forza gravitazionale che le fa interagire le une con le altre. Infatti, Newton stesso ci ha insegnato la legge della gravità, secondo cui due masse si attraggono tra loro tramite la forza di gravità: più le masse sono grandi, più la forza di attrazione aumenta. A rigor di logica, mentre l’universo si formava e la massa totale di stelle, pianeti e galassie aumentava, anche la forza di attrazione totale tra i differenti corpi di masse diverse aumentava. Nel corso del tempo, l’universo si riempiva di materia e di conseguenza si riempiva di forza di gravità.
Ad oggi, uno si aspetterebbe che le galassie intorno a noi siano attratte dalla forza gravitazionale della nostra Via Lattea.
Tuttavia, non è così.
Le galassie si stanno allontanando da noi, e con una velocità sempre maggiore. Non sappiamo a cosa ciò sia dovuto, e di conseguenza gli scienziati si sono inventati un nome particolarmente evocativo per questa esotica forza che fa allontanare tutta la materia: energia oscura.
Einstein stesso dovette adattare le sue leggi della relatività generale a questa nuova forma di energia, che sembrava comparire nelle osservazioni senza un vero e proprio motivo.
Ad oggi, l’energia oscura sembra essere il motore dell’espansione dell’universo: riempie tutto lo spazio interstellare e lo espande, facendo procedere le galassie in direzione opposta rispetto a noi con una velocità che va ad aumentare. Una specie di gravità negativa, si potrebbe dire.
Euclid si occuperà proprio di questo: misurerà quanto velocemente le galassie si stanno allontanando da noi, analizzando un campione statistico molto vasto, che permetterà di aumentare notevolmente i dati a disposizioni degli scienziati per comprendere meglio le caratteristiche di questa esotica energia oscura.
L’impatto sulle ricerche del futuro
La missione Euclid rappresenta un punto di svolta per la cosmologia.
Grazie ai dati che Euclid raccoglierà nel corso dei prossimi sei anni (questa la durata prevista della missione), gli scienziati saranno in grado di sviluppare nuove teorie cosmologiche e studiare l’evoluzione dell’universo in tutte le sue fasi, anche durante il periodo dell’inflazione cosmica.
Saremo così in grado di restringere i parametri liberi dei modelli già esistenti e di formularne di nuovi, ampliando la nostra conoscenza dell’Universo Oscuro.
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E soprattutto ricordati… Non smettere mai di guardare verso le stelle.
